2020年在Nature、Science上发文TOP3高校在材料领域放了什么大招？

作为国际上最为知名的两大综合性学术期刊，Nature和Science旨在发表原创性强、观点新颖、影响广泛，并且对整个科学发展具有推动作用的突破性发现。由于竞争激烈，所有投稿至这两大期刊的原创文章中仅有不足8%被接受和发表。因此N&S发表的论文一定程度上代表着学科领域内的最高水平，而N&S发文数也是比较国家和机构科研产出质量的重要指标之一。

本文统计了我国国内高校2020年作为通讯作者单位（含共同通讯作者单位）在《自然》Nature、《科学》Science期刊上发表的情况。数据统计截至2020年11月30日。并在发文总数前三的高校中分别选取了一个在材料学领域的代表性成果进行简介。

今年我国内地高校在N&S发表论文总数前三的高校分别是中国科学院、清华大学和北京大学。我国发表总数前十的高校开展的科研活动和涉及领域主要集中在生物学、物理学、医学和化学。

中国内地高校N&S论文数

一、中国科学院Science：铁基超导体中涡旋零模的近量子化电导平台^[1]

中科院物理所高鸿钧、丁洪和张余洋等人通过隧穿耦合强度可变的扫描隧道谱（STS）研究了FeTe_0.55Se_0.45超导体中磁通涡旋束缚态的隧穿电导，为铁基超导中马约拉纳零能模的存在提供了定量新证据。相关成果以“Nearly quantized conductance plateau of vortex zero mode in an iron-based superconductor”为题于2020年1月10日发表在Science上。

在一种可能具有马约拉纳模型的特殊超导材料中，量子信息被限域于其表面或边缘，从而为实现稳定的量子位提供了可行的方案。问题在于，虽然已经存在这样那样的间接证据，但是始终没有直接的证据证明马约拉纳模型的存在。实验中，作者观测了电导平台随隧穿耦合强度的变化，发现电导能接近甚至达到量子电导值2e²/h。相比之下，在有限能量涡旋束缚态，或是超导带隙外的电子态连续区，实验并未观测到电导平台。作者认为，所观测到的零能模电导平台是支撑FeTe_0.55Se_0.45中存在MZMs的有力证据。

图1. 在FeTe_0.55Se_0.45上观察到零偏电导平台

二、清华Science：超耐久性的超长碳纳米管^[2]

清华大学化工系魏飞教授和张如范副教授团队在碳纳米管耐疲劳性能研究方面取得重大突破，首次以实验形式测试了厘米级长度单根碳纳米管的超耐疲劳性能。相关成果以“超耐久性的超长碳纳米管”(Super-durable Ultralong Carbon Nanotubes)为题，于8月28日在线发表于Science上。

超强超韧和超耐疲劳性能的材料在航空航天、军事装备、防弹衣、大型桥梁、运动器材、人造肌肉等众多领域都面临巨大的需求。碳纳米管是典型的一维纳米材料，也是目前已知的力学强度最高和韧性最好的材料，其宏观强度和韧性均比目前广泛使用的碳纤维和芳纶等材料高出一个数量级以上。然而，由于其小尺寸特性以及难以被测试的特点，单根碳纳米管的疲劳行为以及疲劳破坏机制研究是该领域长期未能搞清楚的重大难题。由于疲劳可以在应力水平远低于静态断裂强度的情况下发生，探究疲劳行为和潜在的破坏机制对于新材料的长期可靠性评估及应用具有极为重要的意义。

该研究发现，碳纳米管在大应变循环拉伸测试条件下，单根碳纳米管可以被连续拉伸上亿次而不发生断裂，并且在去掉载荷后，其依然能保持初始的超高抗拉强度，耐疲劳性优于目前所有工程纤维材料。与一般传统材料的疲劳损伤累积机制不同，其疲劳破坏呈现出整体破坏性，不存在损伤累积过程，初始缺陷的生成对碳纳米管的疲劳寿命起主导作用。此外，其耐疲劳性受到温度影响，表现出随着温度升高而下降的特点。这项工作揭示了超长碳纳米管用于制造超强超耐疲劳纤维的光明前景，同时为碳纳米管在许多领域应用的寿命设计提供了重要的参考依据。

图2. 超长碳纳米管的耐疲劳性能.（A-E）厘米级超长碳纳米管样品；（F-G）非接触式声学共振测试系统机理示意图;（H-I）超长碳纳米管的耐疲劳性能。

三、北大Nature:原子级成像揭示二维冰层的生长及其边缘结构^[3]

北京大学的江颖、王恩哥、徐莉梅以及美国内布拉斯加大学林肯分校的曾晓成（共同通讯作者）等人报道展示了利用非接触原子力显微学对在金(111)表面进行生长的二维双层冰的边缘结构实现了成像观察。相关成果以题为“Atomic imaging of the edge structure and growth of a two-dimensional hexagonal ice” 于2020年01月01日在线发表在Nature上。

研究发现，二维六方晶系的冰在生长过程中，不仅存在Z型边缘结构（常见于二维六方晶体），还有扶手椅型边缘结构与其共存。冷冻观察和进一步的模拟实验还揭示了二维冰的生长机制，其中Z型边缘结构参与涉及了从水分子演变到边缘结构的过程（集体性桥接机制），而扶手椅结构的中间产物则参与了局部的晶种生成和边缘重构过程。这些现象和机制研究为研究二维材料的生长机制提供了新颖的观察角度。

图3. 二维冰层的实验观测及其STM、AFM图像

图4. Z型和扶手椅型边缘结构的生长过程

参考文献：

[1]Shiyu Zhu, Lingyuan Kong, Lu Cao, Hui Chen, Michał Papaj, Shixuan Du, Yuqing Xing, Wenyao Liu, Dongfei Wang, Chengmin Shen, Fazhi Yang, John Schneeloch, Ruidan Zhong, Genda Gu, Liang Fu, Yu-Yang Zhang, Hong Ding, Hong-Jun Gao, Nearly quantized conductance plateau of vortex zero mode in an iron-based superconductor, Science, 2020 (367) 189-192.

[2]Yunxiang Bai, Hongjie Yue, Jin Wang, Boyuan Shen, Silei Sun, Shijun Wang, Haidong Wang, Xide Li, Zhiping Xu, Rufan Zhang, Fei Wei, Super-durable ultralong carbon nanotubes, Science, 2020 (369) 1104-1106.

[3]Runze Ma, Duanyun Cao, Chongqin Zhu, Ye Tian, Jinbo Peng, Jing Guo, Ji Chen, Xin-Zheng Li, Joseph S. Francisco, Xiao Cheng Zeng, Li-Mei Xu, En-Ge Wang, Ying Jiang, Atomic imaging of the edge structure and growth of a two-dimensional hexagonal ice, Nature, 2020 (577) 60-63.

本文由春春供稿。

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